PLC的PID运算及运动控制

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1、PLC的PID运算及运动控制PLC的工作流程1、系统初始化：一般小型PLC的系统初始化主要是进行初 始化、设置、查找扩展模块等；2、扫描输入：扫描IO输入信号；3、执行逻辑：根据用户PLC程序执行逻辑；4、家务管理：PLC诊断、维护和其它系统程序执行；5、扫描输出：将逻辑执行的结果输出；6、通信管理单元：通信服务程序，响应编程软件和其它通 信任务。PLC运行方式：由上面可以看到PLC的运行是一种循环扫描的运行方式，实际上PLC还有定时扫描和中断扫描共三种扫描方式。循环扫描：PLC按上图循环执行；定时扫描：PLC根据用户设置的时间定时扫描此方说50ms 扫描一次，使用这种扫描方式，用户需要保证用

2、户程序在设 定时间内一定能扫描完毕，一般PLC使用定时中断和子程序 结合起来实现这个功能(这种情况下与中断扫描方式并无不 同)，但在IO扫描方面会有一些细微的不同，很可能会用到 立即刷新IO的功能块UpData_IO。中断扫描：中断扫描根据外部或者内部中断的激活中断扫描 程序的运行。比方说外部IO中断、高速计数中断、定时中 断等。十九、PID温控、变频PID( Proportional, Integral and Derivative)是闭环控 制中最常用的一种算法，在包括温控、水泵、张力、伺服阀、 运控等行业得到了广泛的应用，但因为每个应用的对象特性 都不一样，这就要求调试工程师允分了解PI

3、D的控制原理， 只有这样我们才能把PID的应用好。PID原理：PID是由比例、微分、积分三个部分组成的，在实际应用中 经常只使用其中的一项或者两项，如P、PI、PD、PID等。从控制原理来说，当一个控制对象，我们希望控制的输出达 到我们设定的值，我们通常会使用开环或者闭环控制，如果 控制对象的响应很稳定不会受到其它环节的影响，我们可以 选用开环控制。反之如果被控对象受到设定值、负载或者源 端的影响而产生波动，我们应该选用闭环控制。下图是一个 温控的原理图：PID执行周期（1/10秒）范例比例控制（P）:比例控制是最常用的控制手段之一，这也是最符合人的 感观的一种控制 比方说我们控制一个加热器的

4、恒温100度, 当开始加热时，离目标温度相差比较远，这时我们通常会加 大加热，使温度快速上升，当温度超过100度时，我们则关 闭输出，通常我们会使用这样一个函数e(t) = SP 一 y(t);u(t) = e(t)*PSP设定值e(t)误差值y(t)反馈值u(t)输出值P比例系数滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以 满足控制要求，但很多被控对象中因为有滞后性。比方说塑胶挤出机，如果设定温度是200度，当采用比 例方式控制时，如果P选择比较大，则会出现当温度达到 200度输出为0后，温度仍然会止不住的向上爬升，比方说 升至230度，当温度超过200度太多后又开始回落，尽管这 时输出开

5、始出力加热，但温度仍然会向下跌落一定的温度才会止跌回升，比方说降至170度，最后整个系统会稳定在一 定的范围内进行振荡。如果这个振荡的幅度是允许的比方说家用电器的控制， 那则可以选用比例控制，很多传统的家用空调和我们常会发 现家用空调始终是间歇工作的，当开始制冷时我们通常会感 到越来越冷，当空调停止时又会感到温度越来越高，它采用 的则是比例控制比例值太小时的控制效果图：如果比例值太小，反馈值始终到不了设定值（静态误差）就 达到了平衡（如果是加热的话就是说散热与P*e（t）加热达到 了一个平衡）比例值太大时的控制效果图：如果比例值太大，则被控对象会出上图所示的振荡，当然振 荡点不一定是在设定值，

6、而会根据被控对象的不同或者P值 的大小而在某个位置进行振荡。这对于大多数的控制对旬来 说是不允许的。比例积分控制(PI):积分的存在是针对比例控制要不就是有差值要不就是 振荡的这种特点提出的改进，它常与比例一块进行控制，也 就是PI控制。其公式有很多种，但大多差别不大，标准公式如下：u(t) = Kp*e(t) + KiXe(t) +u0u(t)输出Kp比例放大系数Ki积分放大系数e(t)误差u0控制量基准值(基础偏差)大家可以看到积分项是一个历史误差的累积值，如果光 用比例控制时，我们知道要不就是达不到设定值要不就是振 荡，在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差 问题，比方说一个控

7、制中使用了 PI控制后，如果存在静态误 差，输出始终达不到设定值，这时积分项的误差累积值会越 来越大，这个累积值乘上Ki后会在输出的比重中越占越多， 使输出u(t)越来越大，最终达到消除静态误差的目的。PI两个结合使用的情况下，我们的调整方式如下：1、先将I值设为0，将P值放至比较大，当出现稳定振 荡时我们再减小P值直到P值不振荡或者振荡很小为止(术 语叫临界振荡状态)，在有些情况下，我们还可以在些P值 的基础上再加大一点。2、加大I值，直到输出达到设定值为止。3、等系统冷却后，再重上电，看看系统的超调是否过 大，加热速度是否太慢。通过上面的这个调试过程，我们可以看到P值主要可以 用来调整系统

8、的响应速度，但太大会增大超调量和稳定时间； 而I值主要用来减小静态误差。标准的PID公式在温控等响应较慢的系统中会存在积分 项导致过冲的情况，这是因为在开始加热后，尽管这时输出 已调整最大（比方说固态继电器的PWM输出已是100%开 了）但这时的温度仍然只能缓慢上升，这时的积分项会增加 得很快，当温度达到设定值后，这时尽管比例项已输出为0， 但是积分项仍然会因为其累积值很高而有较大的输出，导致 温度超调。在德维森的V80中，通过改进的遇限消弱积分法等措施 很好的解决了这个问题，使积分项在输出全开时停止积分， 减少了积分对于这种大时延系统的影响。PID控制：因为PI系统中的I的存在会使整个控制系

9、统的响应速度 受到影响，为了解决这个问题，我们在控制中增加了 D微分 项，微分项主要用来解决系统的响应速度问题，其完整的公 式如下：u(t) = Kp*e(t) + KiXe(t) + Kde(t) - e(t-1)+u0在模拟电路中的微分常数是与特征频率相关系的，而在 数字离散PID中的微分项实际上是有一些问题的，因为其只 计算了两次误差的差值，而实际的模拟PID或者用户需要的 理想微分公式应该是要对其进行展宽的，只有展宽的D值才 能真正的起到很好的效果。微分项在控制系统中起到减少超 调降低振荡的作用，但因为微分项本身对于干扰很敏感，所 以在使用微分项时要慎重。在PID的调试过程中，我们应注

10、意以下步骤：1、关闭I和D，加大P，使其产生振荡；2、减小P，找到临界振荡点；3、加大I，使其达到目标值；4、重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求；5、针对超调和振荡的情况适当的增加一些微分项；6、注意所有调试均应在最大争载的情况下调试，这样 才能保证调试完的结果可以在全工作范围内均有效；位置PID与增量PID :前面我们所说的PID公式均是位置PID，也称为全量 PID，这在温控、阀门控制、水泵控制中最常用到，另一种 PID公式称之为增量PID其公式如下：u(t) = u(t) - u(t-1)这在运动控制中最常使用，其输出是两次PID运算结果 的差值，一般的步进或者伺服电机的位置控制

11、可以采用这种 方式。二十一、运动控制运动控制是近些年的热门，精密定位、恒速控制、恒力 矩控制等在各种装备中的应用越来越广泛，这对于控制器的 要求也越来越高。对于运动控制，大家比较常用的包括步进电机、伺服电 机，除此之外伺服阀、数字液压等都属于同一类的控制方式。 在这些运控系统中，我们又根据控制对象的不同分为位置控 制、速度控制、力矩控制三大类。其中步进电机只能应用于 位置控制，而伺服则可以应用于这三类中的任一种控制方式。在运动控制系统中我们一般可以使用专用的运动控制 器或者PLC来实现运动控制功能，一般来说专用的运动控制 器如数控系统等会更为专业功能更强，对于插补、G指令的 支持会更好。比方说

12、高档的数控系统可能会支持以下的功能：用户用 CAD画完图后转换成G代码下载给控制器，控制器就可以 执行对应的G代码完成整个控制过程。而PLC相对而言是一个更为通用的控制平台，一般通过 功能块来实现运动控制功能，V80增强系列（/S）对于两轴 的位置控制有很强的支撑，可以满足绝大多数运动控制要求 的环境，V80的速度控制和力矩控制一般使用E6MAD扩展 模块来实现，在这里我们提到的运动控制是CPU模块本身 的位置控制功能。21.1、位置控制基础在装备控制中有相当多的场合需要用到位置定位控制， 如各种机床、收卷排线、纸张电缆管材的定长裁剪、包装、 印刷等。位置控制的实现，通常是通过步进电机和伺服电

13、机 来达到的，下面我们统一以步进电机来描述。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开 环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置 只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响， 即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线 性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误 差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制 变的非常的简单。PLC正是利用步进电机的这种特性来实现位置控制功 能的，PLC与步进电机之间的接口为脉冲接口，我们称之为 PTO。脉冲与位置的关系：比方说我们需要步进电机转动90度，而步进电机的步 距角为0.3度的，那么我们的脉冲输出个

14、数就应该为300个, 当300个脉冲输出完毕后电机正好旋转90度停止。步进电机的启动和加减速:实际的应用中我们需要考虑到步进电机在带载的情况 下无法高速启动，所以需要步进电机在启动时使用较低的脉 冲频率，然后逐步提升速度，否则会有失步和过冲的现象出 现。同时一般的步进电机使用场合都是开环的，一旦出现了 失步和过冲则是不可恢复的误差。（伺服电机这种情况要好 一些但在负载太大的情况下仍然会有启动不了的现象）为了防止出现失步和过冲的情况，我们通常会让步进电 机在低速启动后再逐步提升速度，在加速过程中，最好的是 S型加速，S型加速的加速度是线性的，这对于机械和电机 来说是最吻合其特性的。在实际的应用中

15、，大多数是采用的 线性加减速，这对于大多数的应用来说也是足够了的。步进 电机的正反转：运控系统中的正反转是很常用的方式，由于步进电机没 有带反馈装置，所以步进电机不适合高速的正反转，一般而 言，在空载的情况下行程在100个脉冲往反转，步进电机的 正反转频率只能达到10次/秒以下（大多数的在5次/秒以下）, 伺服电机的正反转频率可以达到50次/秒以下（刚性要调得比较高）。不同厂商的电机不同，主要与惯量的大小有关系。正反转时，需要很好的加减速控制的支持，否则会出现 失步和过冲的情况，伺服系统还会出现还没到位就开始反转 的情况。在实际的应用之中我们还常用接近开关、光电开关、编 码器、光栅尺来与步进电

16、机配合完成位置控制。这些方法中 可以分为两大类一类是开关型定位，一类是坐标定位。开关型定位：包括接近开关、光电开关、接触开关等，这些开关最常 用的是安置在原点，用来标零和消除累积误差。这些系统在 上电后一般都有找原点的动作过程，通常都是上电后向一个 方向运动找到原点后标定原点坐标，然后开始正常工作。坐标定位：这一类的控制采用编码器、光栅尺、电子尺（模拟电压 接口）之类的，其中又分为绝对编码和相对编码两类，顾名 思义绝对编码的输出信号是绝对坐标，通常是并行的总线，而相对编码的输出信号只是串行的脉冲信号，因为绝对编码 器比较贵，所以大多数的现场都使用相对编码。相对编码的信号有AB相、方向脉冲、上下

17、脉冲三大类AB相又分为*1、*2、*4三种细分方式，*1，表示AB相各来 一个脉冲计数值加或减1，*2表示AB相的任一上升沿加或 减1，*4表示AB相的任一脉冲的上升沿或者下降沿均加或 减1。V80的AB相脉冲计数方式只支持*4的细分方式。大多数的编码器均是AB相的信号，或者是ABZ信号， ABZ信号相对于AB相信号多了一个Z信号线，用来标示编 码器的零点，编码器每转一圈出一个脉冲。电子尺：电子尺多用在各种距离计量的装备上面，比方说注塑机 的射胶电子尺、合模电子尺等。电子尺可采用脉冲接口或者 模拟量接口（电位器），PLC需要通过模拟量输入模块来采 样但是大多数PLC的模拟量输入模块的响应速度太

18、慢无法 满足现场的要求（通常的采样周期在100mS左右）。V80的 高速模拟量扩展模块E6MAD可以达到mS的采样周期，所以可以用来实现高速的模拟量电子尺接口。基本上大多数运动控制都可以由上面的功能组合而成， 对这些概念有一个基本的认识是正确使用运动控制功能的 前提。21.2、V80的运动控制功能：V80对运动控制有着强大的支持：硬高速计数：2路ABZ脉冲、方向脉冲、上下脉冲；速 度50KHZ ；（增强型V80）软高速计数：6路方向脉冲；单路可以达到10KHZ，6 路可以达到2KHZ ；（所有V80）高速脉冲输出：2路PTO ；速度50KHZ （增强型V80）定时中断：2路；（所有V80）外部

19、DI中断：6路；（所有V80）以上的功能都是在运动控制中比较常用的功能，用户在 使用过程中需要合理的选择的使用这些功能。21.3、硬高速计数：V80系列PLC中具有增强功能（用“/S”表示）的CPU 本体单元提供2组通道的高速计数器功能，可以记录输入频 率最大为50kHz的高速脉冲，而不影响CPU性能。V80可 支持3种不同的输入类型（A-B相，方向脉冲和上下脉冲）外 部触发可设置为计数器复位和启/停控制。其特性如下：l 2个输入通道（输入频率最大为50kHz 2路独立的ABZ、 上下、方向模式）；l带有测频率的功能l高速计数输入接口与普通I/O 口复用，对应关系分别 为：DI输入端01对应于

20、第一路高速计数的A1相、02- B1 相、03-Z1、04-A2 相、05-B2 相、06-Z2。其中,01-06 为普通I/O 口，A1、B1相和A2、B2相以及Z1、Z2为高速计数输入接口；l 3种输入类型（A-B相，方向脉冲和上下脉冲）；l 32位硬件计数器；l 输入电平 DC 20V 26V （ 50KHz ）, DC9V26V（10KHz 以下）；l V80的两路硬高速计数是不依赖于CPU软件的，所以 在使用时不会因为用户程序的大小而影响速度；l在使用硬高速计数的同时这些IO 口的DI功能并不受 影响；Z线为外部触发信号，可以设置为三种方式：高速计数 无效（此时，I/O接口 01 0

21、6仅作为普通I/O 口使用X暂 停控制和复位控制。高速计数支持比较和饱和两种计数模式。l比较模式：从预置值开始计数，计数值到达上下限时，复位计数值为预置值，并继续计数，此时，在高速计数运行 指令（HSCRUN ）会输出一个计数溢出标志。l饱和模式：计数值到达上下限时，计数器就会因饱和 而停止计数。如果停止计数后，出现反向脉冲输入时（如图 2.17所示），计数器就会脱离饱和状态而进行逆向计数，即， 由原来的计数值递增变为递减，或由原来的计数值递减变为 递增。高速计数信号对应与工作模式表：硬高速计数的功能块描述请参见V80系列PLC 软件手册，包括高速计数设置功能块HSCSET和高速计数 运行功能

22、块HSCRUN，前者主要用于设置高速计数的工作 模式，后者用于启动和停止高速计数器，同时还可以显示当 前脉冲的频率。在高速计数运行前必需运行一次设置功能块。21.4、脉冲输出：V80系列PLC中具有增强功能（用“/S”表示）的CPU 本体单元提供2个通道（P1和P2）的高速脉冲输出（PTO） 功能（必须在V+和V-端子另加外部24V的电源），每个脉冲 输出通道都可以单独产生高速脉冲串输出（PTO - Pulse Train Output）或产生脉冲宽度调制输出（PWM - PulseWidth Modulated *高速脉冲输出特性如下：l 2个输出通道（最大输出频率：50kHz）l 2种输出

23、类型（可独立设置为PTO和PWM）l 32位脉冲输出数据l输出电平为DC 18V24V（ V+和V-输入电压范围为 DC 24V15%）l每一路PTO输出都可绑定一个普通I/O作为方向信号l可绑定高速计数的外部触发（Z线）信号作为快速硬 件暂停使能信号（1）PTO输出方式PTO输出方式的脉冲输出占空比为50%，并可设置输 出的脉冲数量和周期时间。可选择us和ms两种基准时间， 脉冲周期设置范围为165535个基准时间。PTO方式又分 为普通、平滑和多段三种工作模式。普通模式：32位脉冲数输出（即1到4,294,967,295）， 具有两段接续输出功能，在当前段输出的同时可预先设置下 一段参数，

24、当前段输出完成后接续输出下一段。虽然该模式 具有绑定普通I/O作为方向信号的功能，但不适宜于高速大 惯量的系统中应用。平滑模式：性能与普通模式基本相同，但增加了专门 针对电机应用的起动平滑和段间平滑功能。用户只要设定每 一段的起始脉冲周期和目标脉冲周期，系统则会在两者之间 插入一个平滑段，达到让电机平稳过渡的目的。用户还可选 择系统自动平滑功能，只需要设定段起始周期为0即可。该 模式适用于输出脉冲数多、无频繁启停及对起动特性要求低 的场合。多段模式：与前两种模式不同，多段模式每一段最大 只能允许65535个脉冲输出，最大可设置256段。每一段均 可独立设置起始周期、递进步长、递进间隔、脉冲数及

25、方向 信号。利用多段模式输出指令可以实现多个序列脉冲组成的 脉冲包络输出，以控制步进电机来完成各种复杂的运动曲线，较适用于输出脉冲数较少、启停频繁及对起动特性要求较高 的场合。具体的使用方式请参见软硬件手册。（2）PWM输出方式PWM输出方式的脉冲输出占空比、周期均为可调节， 但无法设置输出脉冲数。周期和脉冲宽度可选择us和ms 两种基准时间，脉冲周期范围为1到65535个基准时间，脉 冲宽度范围为0到65535个基准时间。PWM可以用来做为连续可变频率的脉冲输出、高精度 的温控、比例阀控制、甚至可以在加了阻容滤波后充当精度 不高的模拟量电压输出。具体的使用方式请参见软硬件手册。21.4、软高速计数：特性：1）软高速计数默认接在DI的前6路，对应于DI从0000100006 ；2）软高速计数是以软件中断方式进行的一种高速计数 方式，使用时对程序的正常扫描时间会产生一定的延时影响。3）最大计数频率受通道数影响，为了保证脉冲不会丢 失，一般单通道计数不宜超过10K，6通道一起计数不宜超 过2K。4） 软高速计数带有测频率的功能。此文节选自V80 小型PLC应用和选型讲座 作者 王晟磊